表面工程学六喷涂.pptx
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1、 涂层性能具有方向性,垂直和平行涂层方向上的性能不一致。涂层中伴有氧化物等夹杂,存在部分孔隙,孔隙率420。3 涂层结构(1)涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠在一起,形成一层堆积而成的层状结构。第1页/共113页 涂层内有一定比例的孔隙,产生原因是:(1)喷涂角度不同造成的遮蔽效应;(2)涂层材料凝固收缩时形成的空隙。孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。涂层内的氧化夹杂物含量及涂层的致密度取决于加热源、喷涂材料及喷涂工艺。涂层结构(4)第2页/共113页 涂层冷凝收缩时,涂层外层的拉应力、涂层内层的压应力、组织转变产生的微观应力,结果使涂层产生残余张应力,应力大小与涂层厚度成正比,当张应力超
2、过涂层与基材之间结合强度时,涂层就会发生破坏。4 涂层应力(1)第3页/共113页 残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施:(1)调整喷涂工艺参数;(2)致密涂层的残余应力要比疏松涂层大;(3)采用梯度过渡层缓和涂层内应力。涂层应力(2)第4页/共113页 包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合,结合形式有:(1)机械结合:撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即抛锚效应)而结合在一起。5 涂层的结合强度(1)第5页/共113页(2)物理结合:熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达到晶格常数范围时,产生范德华力,形成物理结合。(3)冶金-化学结合:熔融粒子撞击基材表面时
3、释放出的能量使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和焊合,形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应。热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主,结合强度较差(70MPa)。涂层的结合强度(2)第6页/共113页1 热喷涂技术的分类 按热源分类,各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。二、热喷涂技术的分类及其特点第7页/共113页(1)可在各种基材上制备各种涂层;(2)基材温度低(30 200),热影响区浅,变形小;(3)涂层厚度范围宽(0.5 5mm);(4)操作灵活,可在不同尺寸和形状的工件上喷涂;(5)加热效率低,喷涂材料利用率低,(6)涂层与基体结合强度低。热喷涂技术的特点第8页/共113页
4、1 喷涂材料的分类和要求 热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。三、热喷涂材料第9页/共113页热喷涂材料分类(金属类,表1-3)第10页/共113页热喷涂材料分类(非金属类,表1-3)第11页/共113页(1)热稳定性好,在高温焰流中不升华,不分解(复合粉末)。(2)有较宽的液相区,使熔滴在较长时间内保持液相。(3)与基材有相近的热膨胀系数,以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。(4)喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性,以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。热喷涂材料的要求第12页/共113页(1)要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑,尽量选择合理的喷涂材料。(2)对
5、于重要的部件以获得最优涂层性能为准则;不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则。(3)根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。(4)为满足喷涂工件的使用要求,可采用复合涂层和梯度涂层。2 热喷涂材料的选材原则第13页/共113页 质 量 控 制 要 素(4M):设 备(Machine)、材 料(Materials)、工艺(Methods)和人员(Man)。热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和精加工等过程。四、热喷涂工艺流程和质量控制第14页/共113页热喷涂工艺流程第15页/共113页(1)净化处理:清除表面污垢。(2)粗化处理:提高涂层与基体之间的结合牢度。1 基材表面预处理
6、 粗化处理可提高涂层结合强度的理由是:1)提供表面压应力;2)提供与涂层颗粒互锁机会;3)增大结合面积;4)净化表面。第16页/共113页1)表面喷砂,使其粗糙度为Ra3.212.5m;粗化处理的方法(1)第17页/共113页2)开槽;粗化处理的方法(2)第18页/共113页粗化处理的方法(3)4)喷涂粘结底层。3)电火花拉毛;第19页/共113页 封孔处理的目的:(1)防止或阻止涂层界面处的腐蚀;(2)在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露;(3)防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层;(4)保持陶瓷涂层的绝缘强度。封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。2 涂层的后处理(封孔处理)第20页/共11
7、3页常用封孔剂第21页/共113页1 火焰喷涂 用氧乙炔气体作为加热源,用燃气或惰性压缩气体雾化并加速喷涂材料,在基材表面沉积形成涂层。火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。五、热喷涂方法第22页/共113页常用的火焰喷涂材料及用途第23页/共113页线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。(1)线材火焰喷涂(1)线材火焰喷涂 线材火焰喷涂原理图。第24页/共113页(2)粉末火焰喷涂 粉末火焰喷涂的基本原理和喷涂枪。(2)粉末火焰喷涂第25页/共113页 工艺流程工件表面预处理预热喷涂打底层喷涂工作层后处理。a)预热目的:1)去除工件表面的水分;2)提高工件表面与熔粒的接触温度;3)降低涂层冷却速
8、度,减小涂层内应力。预热温度一般控制在150300为宜。可直接用喷枪预热。火焰喷涂工艺(1)第26页/共113页b)喷涂 需打底层时,可在喷涂工作层之前用钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先喷涂一层厚度约0.100.15mm的打底层。严格控制喷涂材料的供给速度、喷涂距离(100150mm)、每道涂层的厚度(0.10.15mm)、喷枪与工件的移动速度(718mmin)和层间温度(85MPa)。2)涂层致密(最高密度可达99.9)。3)工件表面温度低。4)效率非常低,运行成本高,只用于含碳化物涂层的喷涂。(3)爆炸喷涂特点第42页/共113页1)航空发动机钛合金风扇叶片阻尼台上用爆炸喷涂0.25mn厚
9、的WC,寿命提高10倍;2)燃烧室的定位卡环上喷一层0.12mm厚Cr3C2,寿命提高7倍。(4)爆炸喷涂应用第43页/共113页(1)超音速火焰喷涂原理 超音速火焰喷涂原理图。5.超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel,简称HVOF)第44页/共113页1)焰流速度高但温度相对较低,适合喷涂含碳化物材料。2)涂层致密(99.9),表面粗糙度低。3)结合强度略低于爆炸喷涂,达70MPa以上。4)喷涂效率高,但燃料消耗大,喷涂成本比较高。;5)噪音大(120dB),需有隔音和防护装置。(3)超音速喷涂的特点第45页/共113页超音速喷涂的涂层质量优于等离子喷涂的涂层。
10、(4)涂层性能及应用第46页/共113页各种热喷涂方法比较第47页/共113页1 对涂层结合力要求不高,喷涂材料熔点2500,可采用火焰喷涂。2 对涂层性能要求较高,喷涂高熔点材料时时,应采用等离子喷涂。3 工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。4 要求高结合力、低孔隙度的金属、合金及以某些金属陶瓷涂层可采用超音速火焰喷涂。5 对于批量大的工件,宜采用自动喷涂。六、喷涂工艺的选择原则第48页/共113页1 喷涂耐腐蚀涂层(1)铝、锌及其合金涂层:锌、铝的腐蚀电极电位高于铁,涂层有保护作用,可用于桥梁、铁塔等大型部件的防腐处理(在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能,若铝的质量分数为30,则耐蚀性最佳
11、)。(2)不锈钢涂层:不锈钢电极电位比铁高,易在涂层孔隙处产生电化学腐蚀,所以喷涂后必须封孔处理。(3)塑料涂层:用于化工、食品等行业。七、热喷涂技术的应用第49页/共113页(1)用于耐磨的涂层:1)涂层硬度超过磨料硬度:如氧化铝陶瓷涂层或镍基、钴基碳化钨涂层。用于轧辊、螺旋送料器等部件。(2)用于修复的涂层:喷涂铁基或镍基耐磨合金涂层。2 喷涂耐磨涂层第50页/共113页3 喷涂耐高温涂层(1)抗高温氧化的涂层:如超音速火焰喷涂Cr2C3-NiCr涂层;用等离子喷涂氧化铝陶瓷涂层。(2)热障涂层:使金属基体与高温环境隔离,保持金属构件的力学性能。3 喷涂耐高温涂层第51页/共113页(1)
12、生物相容性涂层:在种植体(不锈钢等)表面用等离子喷涂一层生物相容性好的羟基磷灰石涂层,生物组织可以长入涂层中的孔隙中,与种植体形成牢固的结合。4 喷涂功能涂层第52页/共113页5 装饰第53页/共113页6 汽车制造第54页/共113页6 航空航天第55页/共113页热喷涂技术的应用领域和市场 第56页/共113页1 外观 涂层应无剥离、裂纹、大的变形等宏观缺陷。2 涂层的硬度 用布氏、洛氏、维氏和显微硬度法测量涂层硬度。八、热喷涂的涂层质量评定第57页/共113页(1)直接测量法:用卡尺或在显微镜下测量。(2)测厚仪测量法:1)涡流法:利用高频磁场引起金属内部涡流,涡流产生的磁场又影响探头
13、的阻抗,测量其阻抗值就可确定涂层的厚度。2)磁性法:根据非磁性涂层对探头磁通量的变化值来测量。3 涂层的厚度第58页/共113页(1)涂层拉伸结合强度:制备试样,涂层厚度大于0.38mm。用粘结剂把试样粘结在一起,然后将其拉断,拉伸结合强度:b FA0式中,b 为涂层结合强度;F为试样断裂载荷;A0为试样涂层面积。4 涂层结合强度(1)第59页/共113页(2)涂层剪切强度:用粘结剂将涂层A粘在B上(a),然后拉伸使涂层与基材分离;或用(b)方法在材料试验机上缓慢加压,直至涂层被剪切剥离,此时涂层的剪切强度F:式中,P涂层剪切剥离时的载荷;D试样末喷涂前的直径;L涂层在试样上的宽度。涂层结合强
14、度(2)第60页/共113页(3)涂层的弯曲强度:将涂层试样弯曲到一定角度时,涂层开始出现龟裂的弯曲角度就是涂层的弯曲强度。涂层结合强度(3)第61页/共113页式中,m涂层材料密度(m可从相关手册中查得)。4 涂层的孔隙度(1)(1)计算法:按图351加工涂层试样并称重,涂层密度c:式中G试样重量;s 基材密度;Vs基材体积;Vc涂层体积。根据c算出涂层孔隙度 孔隙度第62页/共113页5 涂层的金相检测 用金相观察涂层的组织、涂层与基体的结合程度、涂层中的微观缺陷等。涂层的孔隙度(2)(2)金相法:用金相显微镜中的栅格测定孔隙所占的格数,与总视场格数的比值即为涂层的孔隙度。(3)试剂法和
15、高压放电法。第63页/共113页1910年:线材火焰喷涂技术;20年代:电弧丝喷涂技术;50年代:爆炸喷涂和等离子喷涂技术;60年代:自熔性合金粉末火焰、等离子喷涂和喷焊技术;80年代:超音速火焰喷涂技术;90年代:激光熔覆技术。九、热喷涂技术的发展过程第64页/共113页60年代以来主要喷涂方法的应用比例 第65页/共113页(1)大功率高热焓等离子喷涂,提高喷涂效率,降低成本。(2)精密喷涂技术。(3)用热喷涂法部分代替镀硬铬的工艺。(4)新型热障涂层,如喷涂0.3mm的MCrAlY热障涂层可使基材温度降低200300。(5)喷涂新材料,如纳米涂层材料、非晶态涂层材料。(6)计算机自动控制
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